Dampak Kepadatan Dislokasi Threading pada Indeks Bias AlN: Efek Medan Regangan Skala Nano

Abstrak

Indeks bias aluminium nitrida (AlN) secara kritis mempengaruhi performa perangkat optoelektronik DUV berbasis AlGaN, termasuk efisiensi kuantum eksternal (EQE) LED. Kepadatan dislokasi threading (TDD) tinggi adalah cacat umum dalam AlN, namun efek kuantitatifnya pada indeks bias masih tidak dipahami dengan baik. Dalam studi ini, kami secara sistematis memvariasi TDD dari 4,24 × 10⁸ hingga 3,48 × 10⁹ cm⁻² melalui aneling pasca-pertumbuhan dan mengukur indeks bias yang sesuai menggunakan elipsometri spektroskopi (SE). Indeks bias menurun dari 2,2508 menjadi 2,2102 pada 280 nm seiring dengan peningkatan TDD, mengonfirmasi bahwa dislokasi mengurangi densitas optik AlN. Pemodelan teoretis medan regangan skala nano di sekitar dislokasi screw dan edge menunjukkan bagaimana deformasi elastis lokal mengganggu respons fotoelas, yang mengarah pada indeks bias yang bervariasi spasial dan pencaran cahaya yang ditingkatkan. Temuan ini memberikan parameter desain kritis untuk mengoptimalkan LED DUV, dioda laser, dan struktur DBR yang dibangun pada substrat AlN.

Pendahuluan

AlN dan legasinya adalah tonggak tonggak optoelektronik DUV, menawarkan bandgap langsung yang dapat disesuaikan dari 3,4 hingga 6,2 eV. Indeks bias AlN secara langsung menentukan efisiensi ekstraksi cahaya (LEE) melalui sudut refleksi internal total dan juga mengatur refleksi pemantul Bragg terdistribusi (DBR). Oleh karena itu, setiap faktor yang menggeser indeks bias dapat membatasi daya keluaran atau performa spektral perangkat. Meskipun suhu, tekanan, dan bandgap telah ditunjukkan mempengaruhi konstanta optik AlN, peran dislokasi threading—yang prevalen dalam lapisan epitaksial AlN—belum dikuantifikasi. Dengan TDD yang biasanya berkisar dari 10⁸ hingga 10⁹ cm⁻², sangat penting untuk menegaskan pengaruhnya pada indeks bias untuk memandu optimisasi pertumbuhan dan rekayasa perangkat.

Metode

Template AlN berkualitas tinggi ditumbuhi pada safir c melalui deposit kimia organik dari uap (MOCVD) menggunakan prekursor trimetilaluminium dan ammonia di bawah aliran hidrogen 40 mbar. Film AlN tebal 1,1 µm dibuat melalui pertumbuhan dua langkah: lapisan nukleasi 955 °C diikuti oleh pertumbuhan suhu tinggi 1280 °C, diiringi dengan lapisan antar AlN 1050 °C. Aneling pasca-pertumbuhan pada 1500, 1600, 1700, dan 1750 °C selama satu jam menghasilkan sampel dengan TDD yang semakin rendah. Kurva ayun difraksi sinar-X (XRC) diukur pada bidang (0002) dan (10–12) untuk mengekstrak densitas dislokasi screw dan edge melalui persamaan Hall–Petch yang dimodifikasi. Elipsometri spektroskopi (SE) menyediakan indeks bias kompleks di seluruh 200–1000 nm. Spektroskopi Raman menilai tekanan residual dengan melacak pergeseran puncak AlN E₂(h).

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 mengilustrasikan XRC (0002) dan (10–12) untuk lima sampel. Lebar setengah maksimum (FWHM) bidang (10–12) menurun secara signifikan dari sampel 1 hingga sampel 5, menghasilkan TDD yang berkisar dari 4,24 × 10⁸ hingga 3,48 × 10⁹ cm⁻². Fitting SE, dilakukan dengan CompleteEASE menggunakan model semikonductor bandgap langsung, mencapai kesalahan kuadrat rata-rata di bawah 11, mengonfirmasi konstanta optik yang andal.

Kurva indeks bias (Gambar 2b) menunjukkan dispersi yang diharapkan: peningkatan dengan energi foton di bawah bandgap 6,2 eV, diikuti oleh penurunan di luar. Pada 633 nm, indeks naik dari 2,019 menjadi 2,056 seiring dengan penurunan TDD, mendekati nilai massa 2,15 [27]. Pentingnya, pada 280 nm, indeks turun dari 2,2508 menjadi 2,2102 seiring dengan peningkatan TDD, mengilustrasikan hubungan terbalik yang jelas (Gambar 2c).

Untuk merasionalisasi perilaku ini, kami memodelkan medan regangan satu dislokasi screw atau edge menggunakan simetri silinder. Komponen tensor regangan (Eqs. 5–6) dipetakan ke tensor fotoelas (Eq. 3), menghasilkan pengombangan Δ(1/n²). Perhitungan mengungkapkan bahwa baik dislokasi screw maupun edge secara lokal menurunkan indeks bias dalam cakran konsentris di sekitar inti (Gambar 4), menciptakan medium optik yang tidak homogen. Saat cahaya melintasi wilayah yang diperturbasi ini, pencaran dan interferensi mendistribusikan kembali medan optik, yang secara efektif mengurangi indeks bias yang diukur.

Faktor yang bisa menyebabkan kebingungan—suhu, tekanan residual, dan bandgap—secara sistematis dikecualikan. Semua pengukuran dilakukan pada suhu kamar. Spektra Raman (Gambar 5) menunjukkan pergeseran biru yang modest pada puncak AlN E₂(h) seiring dengan penurunan TDD, yang menunjukkan tekanan kompresif dari substrat safir; namun, tekanan ini memiliki dampak yang dapat diabaikan pada indeks bias dibandingkan dengan kepadatan dislokasi. Penentuan bandgap dari plot (αE)² vs. E (Gambar 6) mengungkapkan peningkatan kecil dari 6,1106 hingga 6,1536 eV di seluruh sampel, namun korelasi terbalik yang diharapkan dengan indeks bias (Eq. 12) tidak diamati, memperkuat bahwa TDD mendominasi respons optik.

Kesimpulan

Kepadatan dislokasi threading adalah parameter kunci yang mengatur indeks bias AlN. Dengan mengurangi TDD melalui aneling suhu tinggi, indeks bias dapat diatur ke atas, mendekati nilai massa dan potensial meningkatkan LEE dan refleksi DBR dalam perangkat DUV. Medan regangan skala nano di sekitar dislokasi menginduksi variasi indeks bias lokal yang mengagregasi menjadi efek makroskopis yang dapat diukur. Wawasan ini memberikan jalan yang jelas untuk mengoptimalkan pertumbuhan AlN dan arsitektur perangkat untuk mencapai performa yang lebih tinggi dalam optoelektronik DUV.